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临界转速下发动机压气机率先失速级研究

发布时间:2023-04-07 16:00:10 浏览数:

□ 孙泽良 □ 李 斌

中国航发动力股份有限公司 西安 710021

叶轮机械内部的气流流动是非常复杂的现象,存在着流动分离、旋转失速、喘振及各种二次流等。轴流压气机性能及内部流场的数值计算已成为叶轮机械气体动力学领域研究的热点问题之一。轴流压气机的工作状况一般由进口压力、进口温度、转速和流量决定,在进气条件和转速不变的条件下,压气机的压比和工作效率与流量的关系成为压气机特性。在固定转速下,压气机随流量减小,压比增大,压缩能力提高。当达到某一临界点后,压比达到最大,若进一步减小流量,压气机会失稳,进入失速或喘振状态,各转速临界点的连线形成压气机喘振边界。在临界转速下,发动机等转速工作线与压气机喘振边界较近,在此工况,压气机容易发生失速或喘振。某单转子涡轮喷气发动机试车时要求进行临界转速稳定性检查,不合格的发动机需要进行排故。该型发动机由国外引进,从国内生产定型以来多次发生新制造的发动机喘振裕度不足问题。为解决该型发动机喘振裕度不足问题,避免大规模的排故工作,减少试车次数,提高合格率,笔者以该发动机压气机为研究对象,开展临界转速率先失速级研究,为发动机生产装配控制提供技术支持。

笔者的研究对象为某单转子发动机八级轴流压气机,该压气机由一级进口导流叶片、八级转子叶片和八级整流叶片组成。设计转速为4 700 r/min,临界转速为3 500 r/min。该发动机喘振裕度不足问题是在临界转速下检查发现的。笔者在设计转速下对计算方法进行验证,在临界转速下开展率先失速级研究。压气机气流流道如图1所示。

▲图1 压气机气流流道

笔者通过NUMECA软件中的AUTOGRID5模块对压气机气流流道模型进行网格划分,采用O4H型网格拓扑结构,选用FINE-Turbo模块进行数值求解。

采用Spalart-Allmaras湍流模型,时间推进采用四阶龙格-库塔法,采用多重网格技术、当地时间步长和残差光顺技术加速收敛。

边界条件给定进口总温、总压和进口气流角,出口给定静压,通过调整静压,获得压气机特性。

在设计转速下八级轴流压气机的气动性能试验结果和数值计算结果对比,如图2所示。由图2对比可知,数值计算得到的最大和最小流量均比试验得到的流量小,接近1%。最大压比和效率,数值计算结果均比试验结果偏小。考虑到模型的复杂性及湍流模型的局限性,数值计算存在一定误差。从压比特性和效率特性的总体趋势上看,数值计算结果与试验数据吻合程度较好。总体来看,数值模型很好地预测了压气机的气动性能。

▲图2 压气机气动性能对比

临界转速3 500 r/min下近失速工况和近最高效率工况时,压气机转子叶片通道内约99%叶高处的相对马赫数分布云图如图3所示。在该叶高处,第一级转子叶片至第三级转子叶片所处的截面在转子叶片通道内,第四级转子叶片至第八级转子叶片所处的截面位于叶顶间隙中。由图3可观察到,随着气流流量的降低,压气机从近最高效率工况向近失速工况推进,压气机转子叶片通道内低相对马赫数区域范围增大,且越靠近进口,变化越明显。

▲图3 临界转速下压气机转子叶片通道内99%叶高处相对马赫数分布云图

第一级转子叶片通道内近失速工况和近最高效率工况时,约99%叶高处的相对速度矢量分布图如图4所示。在近失速工况,第一级转子叶片吸力面前缘约为25%叶顶弦长处发生气流分离现象,气流向偏离转子叶片方向流动。这是由于气流流量的降低,气流攻角增大,使气流在近叶片吸力面处发生分离。尽管第一级转子叶片吸力面存在气流分离现象,但气流分离现象造成的恶劣影响在通道内不是很大,大部分气流能顺利从流道内流出,特别是靠近第一级转子叶片压力面处,气流在叶片压力面型线的作用下,仍能顺畅地流出通道。在近最高效率工况,第一级转子叶片吸力面基本没有出现气流分离现象,气流顺着叶片方向流动,同时通道内气流的流动状况比近失速工况时好了很多。

▲图4 第一级转子叶片通道内99%叶高处相对速度矢量分布图

第二级转子叶片通道内近失速工况和近最高效率工况时,约99%叶高处的相对速度矢量分布图如图5所示。对比两种工况的叶顶流场分布可以清楚看出,气流均能顺利流入及流出第二级转子叶片通道,无气流分离现象,这说明第二级转子叶片通道不是触发该八级压气机失速的最先转子叶片。

第三级转子叶片通道内近失速工况和近最高效率工况时,约99%叶高处的相对速度矢量分布图如图6所示。在近失速工况时,气流轴向分速为负值的气流区域范围较最高效率时大了很多,这种流动形式不利于第三级转子叶片进口气流流入叶顶通道,并且也使第三级转子叶片通道内气流不能顺利地从通道下游流出,此时第三级转子叶片叶顶通道气流流动状况恶劣。

▲图6 第三级转子叶片通道内99%叶高处相对速度矢量分布图

近失速工况和近最高效率工况时第一级转子叶片至第四级转子叶片叶顶间隙的部分间隙泄漏流线如图7所示,最左边为第一级转子叶片通道,最右边为第四级转子叶片通道。通过对比两个工况可以看出,第一级转子叶片前缘处的泄漏流线均能保持集中的形态,并且能在远离叶片压力面处顺畅地流出通道。较为明显的区别在叶片尾缘处,近失速工况该处泄漏流线比较发散,而在最高效率工况时,该处的泄漏流线比较集中。对于第二级转子叶片前缘处的泄漏流线,在流向下游的过程中,泄漏流线逐渐发散但仍能从通道内流出,两种工况下的泄漏流线分布形式区别不大。对于第三级转子叶片,在两种工况下,转子叶片前缘处的泄漏流线在流向下游的过程中分成两个部分,一小部分横越相邻转子叶片间隙进入相邻转子叶片通道内,另外一大部分在靠近叶片压力面处流出通道。对于第四级转子叶片,在两种工况下,转子叶片叶顶的泄漏流线分布形式与第三级转子叶片类似,也出现了泄漏流线横越相邻转子叶片间隙的现象。泄漏流线分析表明,第三级转子叶片、第四级转子叶片叶顶通道中泄漏流流动状况比第一级转子叶片、第二级转子叶片叶顶通道状况恶劣。

▲图7 第一级至第四级转子叶片叶顶间隙泄漏流线图

结合第一、第二和第三级转子叶片叶顶通道内相对速度矢量分布的分析,可知诱发该八级压气机最先失速的转子叶片为第三级转子叶片。

笔者采用数值模拟手段对设计转速下八级轴流压气机进行研究,在设计转速下对数值计算方法进行了验证,在临界转速下对压气机率先失速级进行了分析,主要结论如下:

(1) 采用的数值模拟方法准确度较高,计算结果与试验数据吻合程度较好,可以准确预测压气机的气动性能;

(2) 临界转速为3 500 r/min时,压气机转子叶片叶顶通道内存在较大的低速区,主要原因为气流流量降低,气流攻角增大,使气流在近转子叶片吸力面处发生分离;

(3) 该八级轴流压气机最先发生失速级为第三级转子叶片。

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